一文了解Layer2四大解決方案的交易成本計算方法和優劣勢

作者：Xiang｜W3.Hitchhiker

修訂：Marina、Evelyn｜W3.Hitchhiker

原標題：《一文了解Layer2的四大解決方案交易成本對比》

隨着以太坊的興起，我們看到了去中心化金融 (DeFi) 的高速發展，以及現在非同質化代幣 (NFT) 的爆炸式增長。然而，以太坊每秒只能處理不到 20 筆交易（TPS），由於以太坊網絡擁堵導致gas fee大幅上漲。在更廣泛地有效採用這些網絡之前，無疑需要更高的吞吐量和更便宜的費用。但ETH 2.0的擴容還需時間，在中短期內Layer 2的解決方案能夠解決主要網絡面臨的低效率問題，同時仍能保持以太坊區塊鏈的完整性。

Layer 2值得關注的原因如下：

• Layer 2網絡將會更快、更便宜，能夠讓更多用戶得以進入以太坊生態；
• 提前參與Layer 2網絡的激勵，能夠獲得獎勵；
• 在Layer 2 發展的預期下，用戶可將資產遷移至二層網絡上，將會有很大概率獲得空投；

因此，Layer 2 也是今年最重要的看點之一。對於用戶來說，除了體驗舒適之外，最關心的還是交易成本。本文從對比Layer 2各種解決方案的交易成本出發，方便各位讀者能夠更加清晰的了解到每個解決方案的優劣勢。

一、Layer 2的擴容技術

據L2BEAT的數據顯示，當前layer 2共計19個項目，總TVL從2021年初的$48.2M 增長到$5.63B，總TVL漲幅達11580%。Layer 2的快速增長與資本湧入、背後的技術方案調整有着密切的關係。

目前主要有四種技術方案：Optimistic Rollup、ZK Rollup、Plasma、Validium。

二、各解決方案的Gas 費用

四大方案各自費用

【 以上計算前提是以當前Eth價格為2500u，區塊gaslimit為30000000，gas費用為30Gwei，平均13秒的出塊時間計算， 極限TPS指對應運行環境佔領了所有以太坊區塊空間(在證明驗證上花費 500000 gas)，普通TPS指對應運行環境佔領了所有以太坊1/3的區塊空間。】

▶️ 計算方法

入上圖，普通轉賬eth需要字節數112左右，ZK壓縮為12個字節，op系壓縮為78.4（不固定，假設壓縮了30%的空間），假設swap轉賬需要字節數約180左右，ZK壓縮為14個字節，op系壓縮為126個字節。

在現有的以太坊鏈上，gas 上限為 3000 萬，交易中每個非0字節的calldata數據需要 16 個 gas，0字節需要4個gas。如果ZK佔領了以太坊所有的區塊空間（在證明驗證上花費 500k gas），忽略0字節的數量。

那麼該批次可以有（2950 萬 / 16）= 1,843,750 字節的數據。如上所示，每次用戶操作的 ETH 轉賬匯總只需要 12 個字節，這意味着該批次最多可以包含 153,645筆交易。在13 秒的平均出塊時間下，這轉化為 ~11,818 TPS（相比之下，直接在以太坊本身上傳輸的 ETH 傳輸為 1300 萬 / 21000 / 13 ~= 101 TPS）。

由上可知ZK Rollup 轉賬eth的可擴展性提高了100 + 倍，而zk最大優勢不在於轉賬eth，相比轉賬erc20的合約代幣，與uniswap交易來算，主網消耗的gaslimit的更多，ZK Rollup 壓縮的性價比也越高，ZK Rollup相比主網的uniswap交易拓展可提高400+倍。

同理，也可計算Optimistic系的擴展性與極限tps。

注意：EIP-4488、EIP-4844 將對rollup的成本大幅降低。

1、ZK Rollup的交易費用

在zkSync中，每筆交易的成本有兩個組成部分：

• 鏈下部分（存儲 + 證明者成本）：狀態存儲和 SNARK（零知識證明）生成的成本。
  （這部分依賴於硬件資源的使用，因此是不變的。我們的基準估計每次轉賬約為 0.001 美元。）
• 鏈上部分（gas 成本）：對於每個zkSync區塊，驗證者必須支付以太坊 gas 來驗證 SNARK，另外每筆交易額外支付約 0.4k gas 來發布狀態 ∆。
  （鏈上部分是一個變量，取決於以太坊網絡中當前的 gas 價格。但是，這部分比普通 ETH/ERC20 轉賬的成本要便宜幾個數量級。）

（1）交易費用地板價

ZK rollup的交易地板價依賴於eth主網 gas的費用。

鏈上 gas fee = 每 wei 的價格 * 交易大小 * gas 的費用 * 代幣的風險係數

ZK Rollup 是不是用得多費用越低 OP ,AR 是有類似這樣的機制？用戶的狀態數更新，用戶用的越多，ZK 支付給 layer1 層的 Gas 費用是會相對變少，但是並未平攤至用戶。

• 鏈下部分： SNARK（零知識證明）生成的成本。這部分依賴於硬件資源的使用，因此是不變的。我們的估計每次轉賬基準約為 0.001 美元。
  實際大小 = (zkp_cost_chunk * op_chunks) * token_usd_risk;
普通交易的鏈下 gas 成本 = 0.001 * 2 * 1 = 0.002u
交易接收者為新地址的鏈下 gas 成本 = 0.001 * 6 * 1 = 0.006u
swap 的鏈下 gas 成本 =0.001 * 5 * 1 = 0.005u

▶️ 驗證流程參考下方代碼塊：

• 鏈上部分（gas 成本）：對於每個 zkSync 區塊，驗證者必須支付以太坊 gas 來驗證 SNARK，另外每筆交易額外支付約 0.4k gas 來發布狀態 。鏈上部分是一個變量，取決於以太坊網絡中當前的 gas 價格。但是，這部分比普通 ETH / ERC20 轉賬的成本要便宜幾個數量級。
  實際大小= 每 wei 的價格 * 交易大小 * gas的費用 * 當前gas價格 * 代幣 的風險係數 = wei_price_usd*gas_tx_amount*scale_gas_price*token_usd_risk
  假設 ETH 價格為2500u，當前 gas 價格為30Gwei
  普通交易的鏈上 gas 成本 = 2500/10^18*(0+300+2002)(30*10^9)1.31 = 0.068u
交易接收者為新地址的鏈上 gas 成本 = 2500/10^18*(0+940+2006) (30*10^9)1.31 = 0.20865u
  假設eth價格為2500u,當前gas價格為30Gwei
  普通交易的鏈上 gas 成本 = 2500/10^18*(0+300+200*2)* (30*10^9)*1.3*1 = 0.068u
交易接收者為新地址的鏈上 gas 成本 = 2500/10^18*(0+940+200*6)* (30*10^9)*1.3*1 = 0.20865u
  ▶️
  swap的gas_tx_amount = 鏈上驗證成本 + 提交成本 + Chunk * Swap Chunk參數（0 + 710 + 200*5 ）
swap的鏈上成本 = 2500/(10^18)*(0+710+200*5)* (30*10^9)*1.3*1 = 0.1667u

▶️ 驗證流程如下：

總成本 = 鏈上 + 鏈下

普通交易總成本 = 0.002 + 0.068 =0.07 u

交易接收者為新地址的總成本 = 0.005 + 0.20865 = 0.21365 u

swap總成本 = 0.005 + 0.1667 = 0.1672 u

（2）影響地板價的因素

Rollup的交易地板價依賴於 ETH 主網 calldata 的費用。

ETH 的 gas 的相關處於草案階段的 EIP 主要為 EIP4488，該方案將 calldata 非0字節數據由16gas 降低至 3 gas，對 layer2 TPS的影響較大，利好 layer2 的 Rollup，可以大大降低Rollup主網的交易成本，非0字節的數據可以降低為當前的 1/5 的成本不到，0 字節的也可以微微降低（ab，op，zk 等預計都可以下降至目前 1/5 的手續費）。

（3）費用支付方式

zkSync中的轉賬天然支持“無氣體交易”：用戶在被轉賬的代幣中支付交易費用。因此，例如，如果您想交易 DAI 穩定幣，您無需擁有 ETH 或任何其他代幣。只需支付一小部分 DAI 的費用。

2、zkPorter的交易費用

目前 github 無 zkPorter 相關代碼，由於 zkPorter 不需要鏈上數據可用性，預計成本將大大降低。

主要為鏈下成本，交易可以控制在 1 到 3 美分的恆定費用。引用自官方文檔。

在zkSync 2.0中，L2 狀態將分為 2 個方面：具有鏈上數據可用性的 ZK Rollup 和具有鏈下數據可用性的 zkPorter。

這兩部分將是可組合和可互操作的：ZK Rollup 端的合約和賬戶將能夠與 zkPorter 端的賬戶無縫交互。

從用戶的角度來看，唯一明顯的區別是 zkPorter 賬戶的費用減少了 100 倍。

想象一下應用場景：Uniswap 在 ZK Rollup 端部署他們的智能合約，zkPorter 賬戶可以以低於 0.03 美元的費用進行swap。zkPorter 賬戶可以在 Uniswap 合約上進行數千次交換，但只需將一次更新發布到以太坊。

zkPorter 賬戶的數據可用性將由 zkSync 代幣持有者（稱為監護人）保護。他們將通過簽署區塊來跟蹤 zkPorter 端的狀態，以確認 zkPorter 帳戶的數據可用性。

監護人使用 zkSync 代幣參與權益證明 (PoS)，因此任何數據可用性故障都將導致他們被削減。這為數據可用性提供了加密經濟保證。 需要注意的是，zkSync 中的 PoS 比側鏈等其他系統中的 PoS 安全得多。這是因為 zkSync 監護人本質上是無法竊取資金。他們只能凍結 zkPorter 狀態（凍結他們自己的權益）。 每個用戶都可以自由選擇自己的安全閾值。任何想要所有鏈上可用數據的用戶都可以完全留在Rollup,使用ZK Rollup賬號。

zksync2.0主網上線時間

根據官方文檔2022年1月31日的文章內容可得知，6個月內，zkPorter將與zksync2.0 一起上線主網。

3、Arbitrum Gas 機制

Arbgas 費用將根據用戶與 Arbitrum 的交互方式而有所不同，但下表可用作一般參考：

▶️ 部分代碼：

4、optimism Gas 機制

optimism 交易中的兩個成本來源：L2 執行費和 L1 數據/安全費。

（1）L2 執行費

就像在以太坊上一樣，Optimism 上的交易必須為他們使用的計算量和存儲量支付gas 。每筆 L2 交易都會支付一定的執行費用，等於交易使用的 gas 數量乘以交易附帶的 gas 價格。這也是以太坊的收費方式。

這是（簡單的）公式：

l2_execution_fee = transaction_gas_price * l2_gas_used

使用的 L2 氣體量取決於您嘗試發送的特定交易，交易在 Optimism 上使用的 gas 量通常與在 Ethereum 上的大致相同。

（2）L1 數據費

Optimism 與以太坊不同，因為 Optimism 上的所有交易也都發布到以太坊。此步驟對於 Optimism 的安全屬性至關重要，因為這意味着同步 Optimism 節點所需的所有數據始終在以太坊上公開可用。這就是使 Optimism 成為 L2 的原因。

Optimism 上的用戶必須支付向以太坊提交交易的費用。稱之為L1 數據費用，這是 Optimism（和其他 L2）與以太坊之間的主要差異。由於以太坊上的 gas 成本非常昂貴，因此 L1 數據費用通常會在 Optimism 上佔據交易的總成本。該費用基於四個因素：

1. 以太坊當前的gas價格。
2. 將交易發布到以太坊的 gas 成本。這交易長度的大小（以字節為單位）成比例。
3. 以gas計價的固定費用。當前設置為 2100。
4. 一種動態的間接費用，按固定數字支付的 L1 費用。當前設置為 1.24。

公式：

L1_data_fee = L1_gas_price * (tx_data_gas + fixed_overhead) * dynamic_overhead

三、總結

隨着越來越多的應用程序接入區塊鏈，用戶的採用和交易量將呈指數級增長。從 DeFi 、NFT到 DAO，它們最終將消耗以太坊上更多的吞吐量和產生更多交易成本，使其使用體驗感降低，從而阻礙了區塊鏈向更多人口的擴展的機會。

L2s 是目前以太坊擴展的最佳解決方案，在提供高吞吐量和更便宜的費用的同時，可以很好的利用 L1s 的安全性。但由於Layer 2的擴容解決方案也在不斷的更新和調整，每種方案都有其各自的優劣勢，總體來說，zk rollup的交易費用更低、極限/部分TPS更快、最大拓展性也大大的得到提高以及在安全性上也有保證，zkporter次之；其他解決方案的交易費用也有所降低，但是同zk rollup相比略遜色。

未來，我們將看到許多項目在 L2 上遷移或創建，從而改善用戶體驗。作為 2022年最熱門的趨勢之一，L2s 將繼續建立龐大而忠誠的用戶群，這將成為以太坊最重要的發展之一。

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